一种秸秆提取物及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及农业废弃物资源化利用领域，具体涉及一种秸秆提取物及其制备方法和应用。


背景技术：

2.农作物秸秆是一种重要的生物质资源，具有分布广、产量大、绿色可再生等特点，其高效利用对于促进环境保护及农业可持续发展意义重大。然而，农作物秸秆因其结构松散、密度低，导致收储运等环节难度大、成本高，其规模化应用受到严重制约。
3.众所周知，农作物秸秆可以作为造纸的原料。但是目前秸秆造纸存在生产效率低，价值难以实现，副产物易造成环境污染等问题。如果采取先进的秸秆纤维丝制造技术，副产物再与畜禽粪污联合厌氧发酵生产沼气，则可大大提高秸秆综合效益。双螺杆挤压搓丝是一种农作物秸秆预处理技术，可短时间内为物料提供高速剪切与挤压作用，使其处于高温高压状态，从而破坏物料结构，改变其理化性质。目前，双螺杆挤压搓丝作为秸秆预处理手段的研究已引起广泛关注。但是，由于双螺杆挤压搓丝预处理对秸秆的化学成分不产生显著影响，秸秆组分木质素、纤维素、半纤维素在酶水解过程中对纤维素酶的非生产性吸附严重制约了酶水解效率的提高。
4.因此，亟需提供一种可在双螺杆挤压搓丝预处理过程中调控秸秆降解程度，从而提高秸秆制浆效率的方法。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术中秸秆造纸生产效率低，经济价值难以实现，副产物易造成环境污染的题，而提供了一种秸秆提取物及其制备方法和应用。本发明的方法能够实现秸秆的全量利用，无副产物产生，安全环保，且有效提高了秸秆的经济价值。
6.发明人经大量实验研究发现，在秸秆挤压搓丝过程前添加腐熟剂，可显著提高秸秆颗粒的酶水解效率，降低木质素对纤维素酶的非生产性吸附作用。同时，本发明中采用两种或两种以上有机物料(至少包括秸秆汁液和畜禽粪污)的联合厌氧发酵技术，既实现了不同有机废弃物归一化处理问题，又显著提高了发酵系统的产气效率，可有效维持系统运行稳定性，缓解有毒化学物质的抑制作用，并保证系统营养平衡，而且发酵后残余物处理方便，可直接用作有机肥，不存在二次污染的问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供的技术方案之一为：一种秸秆提取物的制备方法，其包括如下步骤：
9.(1)将秸秆经腐熟剂进行腐熟；
10.其中，所述的腐熟剂包括秸秆发酵复合菌系；
11.(2)对所述腐熟后的秸秆进行搓丝处理，得到秸秆纤维丝；
12.(3)将所述秸秆纤维丝进行磨纤维处理，得到秸秆提取物；其中，所述秸秆提取物的纤维含水量为55％～65％。
13.步骤(1)中，所述秸秆可为本领域常规，例如水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、茄子秆、棉花秆和烟秆中的一种或多种；优选为水稻秸秆和/或玉米秸秆。
14.所述秸秆的含水率可为50％～60％，即本领域常规的黄储秸秆。
15.步骤(1)中，所述秸秆的长度可为5～10cm；优选为5.5cm、6.0cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8.0cm、8.5cm、9.0cm、9.5cm，以及任意两个数值之间的任何数值，例如5.2cm、5.3cm或5.4cm。
16.根据本领域常规，上述长度的秸秆可通过粉碎得到。所述粉碎完成后，可将粉碎后的秸秆投料到发酵仓内。
17.步骤(1)中，所述腐熟剂一般是指含秸秆发酵复合菌系的水剂。
18.所述秸秆发酵复合菌系一般是指主要由细菌、真菌、放线菌复合而成的复合菌群。
19.所述秸秆发酵复合菌系优选为本领域市售产品，例如哈尔滨微华生物科技有限公司市售的秸秆发酵复合菌系。
20.所述腐熟剂的用量可为3～5％，例如3.1％、3.2％、3.3％或4％；百分比是指腐熟剂的质量占秸秆质量的质量百分比。
[0021]“所述腐熟剂”与“所述秸秆和所述腐熟剂的混合物”的质量比可为1.5％～3％，例如2.5％，百分比为腐熟剂的质量占秸秆与腐熟剂质量之和的百分比。
[0022]
所述腐熟的操作优选为使用腐熟剂喷涂秸秆。
[0023]
所述腐熟的时间可为48～72小时，例如48h、48.5h、49h、49.5h、50h、50.5h、51h、51.5h、52h、52.5h、53h、53.5h、54h、54.5h、55h、56h、56.5h、57h、57.5h、58h、58.5h、59h、59.5h、60h、60.5h、61h、61.5h、62h、62.5h、63h、63.5h、64h、64.5h、70h、70.5h、71h或71.5h。
[0024]
步骤(2)中，所述搓丝处理的设备可为本领域常规，例如双螺杆挤压搓丝机。所述双螺杆挤压搓丝机的型号可为本领域常规，例如tsp300。
[0025]
所述搓丝处理的操作和条件参数可为本领域常规，一般可为将所述腐熟后的秸秆投料到双螺杆挤压搓丝机内进行搓丝。其中，所述双螺杆挤压搓丝机的挤压时间可为2～7min，例如5min。所述双螺杆挤压搓丝机的挤压温度可为本领域常规的环境温度，例如5～30℃，再例如20℃。所述双螺杆挤压搓丝机的挤压压力可为《0.5mpa，例如0.4mpa。
[0026]
步骤(3)中，所述磨纤维处理的设备可为本领域常规的磨浆机，例如高浓度磨浆机。所述高浓度磨浆机的型号可为本领域常规，例如zdhp1120。
[0027]
所述磨纤维处理优选为采用两台磨浆机进行连续磨浆。所述两台磨浆机优选为串联连接。
[0028]
所述磨纤维处理的时间可为本领域常规，例如2～7min，再例如3min、4min、5min或6min。当所述磨纤维处理采用两台磨浆机进行连续磨浆时，所述磨纤维处理的时间是指两台磨浆机连续磨浆的时间之和。
[0029]
所述磨纤维处理的温度可为本领域常规，例如50～80℃，再例如60℃或70℃。
[0030]
所述磨纤维处理的压力可为本领域常规，例如0.5mpa以下，再例如0.1mpa、0.2mpa、0.30mpa或0.4mpa。当所述磨纤维处理采用两台磨浆机进行连续磨浆时，两台磨浆机的温度和压力均相同。
[0031]
步骤(3)中，所述磨纤维处理完成后，一般还包括对所述秸秆提取物进行挤压脱水的操作。
[0032]
所述挤压脱水的操作可为本领域常规。
[0033]
其中，挤压温度可为本领域常规的环境温度，例如5℃～30℃，优选为10℃或20℃。挤压压力可为0.1～0.5mpa，例如0.2mpa、0.30mpa或0.4mpa。
[0034]
所述秸秆提取物经挤压脱水后，得到湿浆和秸秆汁液。
[0035]
其中，所述湿浆的纤维含水量优选为60％。
[0036]
其中，所述秸秆汁液一般为粘稠的液体。所述秸秆汁液中，干物质(ts)的含量可大于10％，例如20％。
[0037]
步骤(3)结束后，优选还包括步骤(4)；步骤(4)为将所述秸秆汁液进行厌氧发酵，或者，将所述秸秆汁液与畜禽粪污混合、并进行厌氧发酵。
[0038]
步骤(4)中，所述畜禽粪污可为本领域常规的畜禽粪便，例如猪粪、牛粪和鸡粪中的一种或多种。
[0039]
所述畜禽粪污中，干物质(ts)的含量可为10％以上。
[0040]
根据本领域常规，所述畜禽粪污中一般含有沙子、石子、塑料等杂质；优选地，在将畜禽粪污与秸秆汁液混合之前，去除畜禽粪污中的杂质。
[0041]
步骤(4)中，所述秸秆汁液和所述畜禽粪便的混合物中，干物质的含量(ts)可为6％～8％，优选为7％；百分比是指干物质的质量占秸秆汁液与畜禽粪便的混合物的质量的百分比。
[0042]
所述秸秆汁液和所述畜禽粪便的混合物的ph值可为6.0～8.0，例如7.0。
[0043]
所述秸秆汁液和所述畜禽粪便的混合物中，碳氮比(c/n)可为20～35，例如25、30或35。
[0044]
步骤(4)中，将所述秸秆汁液与畜禽粪污混合、并进行厌氧发酵时，一般还可以选择将秸秆与所述秸秆汁液和所述畜禽粪污一起混合、并进行厌氧发酵。所述秸秆的种类如前所述。所述秸秆的长度优选为3～5cm。
[0045]
步骤(4)中，所述厌氧发酵优选为在完全厌氧的条件下进行。
[0046]
所述厌氧发酵优选为湿法厌氧发酵。
[0047]
步骤(4)中，根据本领域常规，所述厌氧发酵过程中一般添加活性菌种。
[0048]
所述活性菌种的来源可为以秸秆为主要发酵原料，发酵温度为35℃的沼气工程。所述沼气工程的运行年限为一年以上。
[0049]
所述活性菌种中不包括石头、沙子、木质素等难降解的大颗粒物质。根据本领域常规，去除所述活性菌种中难降解的大颗粒物质的方法可为将活性菌种过40目筛。
[0050]
在厌氧发酵过程中，当添加活性菌种时，秸秆汁液、畜禽粪污、活性菌种和水的混合物为发酵料液。
[0051]
其中，所述活性菌种的加入量可为10％～20％，例如11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％或19％；百分比是指活性菌种体积占发酵料液体积的体积百分比。
[0052]
其中，所述活性菌种中含有大量活性产甲烷菌群，添加到发酵体系中后可迅速提高有效产甲烷菌群数量和活性，并大幅度缩短启动时间，显著提高产气效率。
[0053]
优选地，所述活性菌种、所述秸秆汁液和所述畜禽粪污在35℃条件下混合。
[0054]
步骤(4)中，所述厌氧发酵的温度可为30～35℃，例如31℃、32℃、33℃或34℃。
[0055]
所述厌氧发酵的ph值可为6～8，例如6.2、6.4、6.5、7.0、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8或
7.9，优选为7.0。
[0056]
所述厌氧发酵的周期可为50～60天。
[0057]
所述厌氧发酵后，可得到沼液；所述沼液中含有丰富的活性较高的厌氧微生物菌群。
[0058]
本发明中，所述秸秆提取物的制备方法优选包括如下步骤：
[0059]
(1)将秸秆经腐熟剂进行腐熟；其中，所述的腐熟剂包括秸秆发酵复合菌系；
[0060]
(2)对所述腐熟后的秸秆进行搓丝处理，得到秸秆纤维丝；
[0061]
(3)将所述秸秆纤维丝进行磨纤维处理，得到秸秆提取物；其中，所述秸秆提取物的纤维含水量为55％～65％；
[0062]
对所述秸秆提取物进行挤压脱水，所述秸秆提取物经挤压脱水后，得到湿浆和秸秆汁液；
[0063]
(4)将所述秸秆汁液与畜禽粪污混合、并进行厌氧发酵。
[0064]
本发明中，所述秸秆提取物的制备方法更优选包括如下步骤：
[0065]
(1)将秸秆经腐熟剂进行腐熟；其中，所述的腐熟剂包括秸秆发酵复合菌系；
[0066]
(2)对所述腐熟后的秸秆进行搓丝处理，得到秸秆纤维丝；
[0067]
(3)将所述秸秆纤维丝进行磨纤维处理，得到秸秆提取物；其中，所述秸秆提取物的纤维含水量为55％～65％；
[0068]
对所述秸秆提取物进行挤压脱水，所述秸秆提取物经挤压脱水后，得到湿浆和秸秆汁液；
[0069]
(4)将所述秸秆汁液、畜禽粪污和秸秆混合、并进行厌氧发酵。
[0070]
本发明提供的技术方案之二为：一种秸秆提取物，其由如前所述的秸秆提取物的制备方法制得。
[0071]
本发明提供的技术方案之三为：一种秸秆汁液，其由如前所述的秸秆提取物经挤压脱水制得。
[0072]
本发明中，所述秸秆提取物经挤压脱水后，得到湿浆和秸秆汁液。
[0073]
其中，所述湿浆应用于制备纸浆。
[0074]
所述秸秆汁液应用于制备沼气。所述沼气的制备方法可为本领域常规，例如，将所述秸秆汁液与畜禽粪污混合、并进行厌氧发酵。
[0075]
本发明提供的技术方案之四为：一种如前所述的秸秆汁液在制备沼气中作为发酵原料的应用。
[0076]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0077]
本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0078]
本发明的积极进步效果在于：
[0079]
(1)本发明的方法能够实现秸秆的全量利用，无副产物产生，安全环保，且有效提高了秸秆的经济价值；
[0080]
(2)本发明的方法制得的秸秆液汁能够用于生产清洁燃气沼气，不仅实现了多物料归一化处理，还进一步提高了秸秆的综合利用率；
[0081]
(3)本发明的方法中，可采用至少两种有机物料的联合厌氧发酵技术，有效增加了
沼渣沼液中的养分含量，并提高肥效，与秸秆或者畜禽粪便单独厌氧发酵产沼气的技术相比，进一步缩短了厌氧发酵的发酵周期(12天以上，12～14天)，并明显提高了沼气产率(总产气量高达27l以上)，甲烷含量也显著上升；
[0082]
本发明中的方法在农业废弃物处理领域，是一种经济、高效、环保的清洁能源生产技术。
具体实施方式
[0083]
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
[0084]
下述实施例中，腐熟剂是含秸秆发酵复合菌系的水剂。其中，秸秆发酵复合菌系的商购来源为哈尔滨微华生物科技有限公司。
[0085]
双螺杆挤压搓丝机的型号为tsp300。
[0086]
磨浆机的型号为zdhp1120。
[0087]
活性菌种的来源为以秸秆为主要发酵原料，发酵温度为35℃的沼气工程，该沼气工程的运行年限为一年以上。
[0088]
实施例1
[0089]
实施例1中秸秆提取物的制备方法，利用秸秆和畜禽粪污生产了生物纸浆和沼气，步骤如下：
[0090]
(1)将秋收后的玉米秸秆粉碎至5-10cm；并将粉碎后的玉米秸秆料投到发酵仓内，喷涂上用量为3％的腐熟菌剂(3％是指腐熟剂的质量占秸秆质量的质量百分比)，腐熟72小时。
[0091]
(2)将腐熟后的秸秆放入双螺杆挤压搓丝机中进行搓丝处理，在温度为20℃、挤压压力为0.4mpa的条件下挤压5分钟，得到秸秆纤维丝。
[0092]
(3)将秸秆纤维丝放入依次两台串联的磨浆机中进行连续磨浆处理，在70℃条件和0.30mpa条件下磨浆5分钟；并在温度为20℃、挤压压力为0.4mpa的条件下挤压5分钟，进行挤压脱水，得到湿浆和粘稠的液体(秸秆汁液)。
[0093]
(4)将猪场粪便去除沙子、塑料等杂质，装入塑料桶中备用；
[0094]
称取200克粘稠的液体(ts＝20％)和1000克畜禽粪污(ts＝10％)装入10l厌氧反应瓶，其中，粘稠的液体和畜禽粪便的混合物中，碳氮比(c/n)为30；并加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计为25％)、以及水，将粘稠液体和畜禽粪便的混合物(ts＝40％-50％)中，500克玉米秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l；再将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天。
[0095]
对比例1
[0096]
步骤(1)中不包括并将粉碎后的玉米秸秆料投到发酵仓内，喷涂腐熟剂，并腐熟的操作；其他均同实施例1。
[0097]
实施例2
[0098]
实施例2中秸秆提取物的制备方法，利用秸秆和畜禽粪污生产了生物纸浆和沼气，步骤如下：
[0099]
(1)将秋收后的水稻秸秆粉碎至5-10cm；并将粉碎后的水稻秸秆料投到发酵仓内，喷涂上用量为3％的腐熟菌剂(3％是指腐熟剂的质量占秸秆质量的质量百分比)，腐熟72小时。
[0100]
(2)将腐熟后的秸秆放入双螺杆挤压搓丝机中进行搓丝处理，在温度为20℃、挤压压力为0.3mpa的条件下挤压6分钟，得到秸秆纤维丝。
[0101]
(3)将秸秆纤维丝放入依次两台串联的磨浆机中进行连续磨浆处理，在70℃条件和0.30mpa条件下磨浆5分钟；并在温度为20℃、挤压压力为0.4mpa的条件下挤压5分钟，进行挤压脱水，得到湿浆和粘稠的液体(秸秆汁液)。
[0102]
(4)将猪场粪便去除沙子、塑料等杂质，装入塑料桶中备用；
[0103]
称取200克粘稠的液体(ts＝20％)和1050克畜禽粪污(ts＝10％)装入10l厌氧反应瓶，其中，粘稠的液体和畜禽粪便的混合物中，碳氮比(c/n)为30；并加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计为25％)、以及水，将粘稠液体和畜禽粪便的混合物(ts＝40％-50％)中，450克水稻秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l；再将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天。
[0104]
实施例3
[0105]
实施例3的秸秆提取物的制备方法中，步骤(4)为称取200克粘稠的液体(ts＝20％)装入10l厌氧反应瓶，加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计25％)、以及水，将粘稠液体中，600克水稻秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l，并将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天；
[0106]
其他均同实施例2。
[0107]
实施例4
[0108]
实施例4中秸秆提取物的制备方法，利用秸秆和畜禽粪污生产了生物纸浆和沼气，步骤如下：
[0109]
(1)将秋收后的水稻秸秆粉碎至5-10cm；并将粉碎后的水稻秸秆料投到发酵仓内，喷涂上用量为3％的腐熟菌剂(3％是指腐熟剂的质量占秸秆质量的质量百分比)，腐熟72小时。
[0110]
(2)将腐熟后的秸秆放入双螺杆挤压搓丝机中进行搓丝处理，在温度为20℃、挤压压力为0.2mpa的条件下挤压5分钟，得到秸秆纤维丝。
[0111]
(3)将秸秆纤维丝放入依次两台串联的磨浆机中进行连续磨浆处理，在70℃条件和0.2mpa条件下磨浆7分钟；并在温度为20℃、挤压压力为0.4mpa的条件下挤压5分钟，进行挤压脱水，得到湿浆和粘稠的液体(秸秆汁液)。
[0112]
(4)将猪场粪便去除沙子、塑料等杂质，装入塑料桶中备用。
[0113]
称取2700克粘稠的液体(ts＝20％)和1000克畜禽粪污(ts＝10％)装入10l厌氧反应瓶，其中，粘稠的液体和畜禽粪便的混合物中，碳氮比(c/n)为30；并加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计为25％)、以及水，将粘稠液体和畜禽粪便的混合物(ts＝40％-50％)中，486克水稻秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l，再将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天。
[0114]
实施例5
[0115]
实施例5的秸秆提取物的制备方法中，步骤(4)为称取200克粘稠的液体(ts＝
20％)装入10l厌氧反应瓶，加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计25％)、以及水，将粘稠液体中，450克水稻秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l，并将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天；
[0116]
其他均同实施例4。
[0117]
实施例6
[0118]
实施例6的秸秆提取物的制备方法中，步骤(4)为将猪场粪便去除沙子、塑料等杂质，装入塑料桶中备用；
[0119]
称取200克粘稠的液体(ts＝20％)、1050克畜禽粪污(ts＝10％)和
…
克秸秆(3～5cm)装入10l厌氧反应瓶，其中，粘稠的液体和畜禽粪便的混合物中，碳氮比(c/n)为30；并加入2l过40目筛的活性菌种(以发酵料液总体积计为25％)、以及水，将粘稠液体和畜禽粪便的混合物(ts＝40％-50％)中，450克水稻秸秆干物质的含量调节为8％，整个反应体系物料共8l；再将ph调节为7，中温35℃发酵进行厌氧发酵，发酵周期60天。
[0120]
其他均同实施例1。
[0121]
效果实施例
[0122]
上述实施例和对比例中沼气产率(总产气量)的测试结果如下表1。其中，沼气产率采用常温常压条件下排饱和食盐水方法。
[0123]
表1
[0124][0125][0126]
由表1可见，实施例1～6相比于对比例1中的总产气量提高了12％以上；至少提高了(298-265)/265
×
100％＝12.4％，最高提高了(355-265)/265
×
100％＝34％。